一種增材制造中粉末分配量的控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，尤其涉及一種增材制造中粉末分配量的控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造(3D打印)是一種通過連續(xù)熔合一個(gè)以上薄層的材料來構(gòu)建三維物體的制造技術(shù)。粉床式增材制造是增材制造技術(shù)路線的一種，其基本的工藝步驟如下:粉末供應(yīng)與鋪平系統(tǒng)將粉末材料在工作平臺(tái)上鋪展成薄層，高能量密度的射線(激光或電子束)在粉末層上掃描三維物體的一個(gè)截面;之后，工作平臺(tái)下降一個(gè)粉末層厚度的距離，在工作平臺(tái)上鋪一層新的粉末，射線掃描三維物體的下一個(gè)截面;重復(fù)以上步驟，直至該三維物體制造完成。
[0003]在進(jìn)行上述的截面掃描時(shí)，通常要求鋪設(shè)的粉末層要完整(即粉末薄層完全覆蓋成形缸上方的空間)，以便更好的實(shí)現(xiàn)三維物體的制造。
[0004]現(xiàn)有的技術(shù)方案中，用于鋪設(shè)一個(gè)粉末薄層的粉末量是事先分配好的，事先分配的粉末量多少直接影響粉末層的完整性:若分配的粉末量過少，鋪粉后，新的粉末層不完整。目前通常是通過稱重傳感器對(duì)分配的粉末量進(jìn)行控制，但這種控制是開環(huán)的，其無法形成負(fù)反饋，而在缺乏反饋的情況下，系統(tǒng)無法確定具體需要多少粉末來確保鋪粉后的粉末層是完整的。特別是在某些突發(fā)情況下，比如鋪粉裝置損壞、稱重傳感器精度損失等情況下，系統(tǒng)無法檢測(cè)到粉末層的不完整。在增材制造中，一個(gè)零件往往需要連續(xù)熔合數(shù)百甚至數(shù)千層，任何一層粉末的不完整都將導(dǎo)致零件缺陷甚至制造過程中斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種增材制造中粉末分配量的控制裝置及方法，能夠判斷粉末層的完整性，并建立負(fù)反饋，使得預(yù)先分配的粉末量既能保證鋪設(shè)的粉末層是完整的，又盡可能減少粉末的消耗。
[0006]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種增材制造中粉末分配量的控制裝置，設(shè)置在成形室內(nèi)，所述成形室內(nèi)設(shè)有粉末接收盒，粉末接收盒上設(shè)有重量檢測(cè)裝置，所述粉末接收盒下方設(shè)有鋪粉平臺(tái)，鋪粉平臺(tái)連接有成形缸，所述鋪粉平臺(tái)上設(shè)有鋪粉裝置，所述控制裝置包括設(shè)置在鋪粉平臺(tái)至少一端下方的至少兩對(duì)光產(chǎn)生裝置以及光強(qiáng)感應(yīng)裝置，經(jīng)鋪粉裝置鋪粉后的剩余粉末從鋪粉平臺(tái)的端部掉落，且其掉落軌跡位于所述光產(chǎn)生裝置和光強(qiáng)感應(yīng)裝置之間；所述重量檢測(cè)裝置、光產(chǎn)生裝置以及光強(qiáng)感應(yīng)裝置均連接于控制器。
[0007]作為優(yōu)選，所述鋪粉平臺(tái)至少一端端部懸空設(shè)置，所述剩余粉末從懸空處掉落，且掉落軌跡位于所述光產(chǎn)生裝置和光強(qiáng)感應(yīng)裝置之間。
[0008]作為優(yōu)選，所述鋪粉平臺(tái)至少一端開設(shè)有掉落孔，所述剩余粉末從掉落孔掉落，且掉落軌跡位于所述光產(chǎn)生裝置和光強(qiáng)感應(yīng)裝置之間。
[0009]作為優(yōu)選，所述掉落孔為矩形孔，所述矩形孔的長(zhǎng)邊側(cè)臨近所述成形缸設(shè)置。
[0010]作為優(yōu)選，所述矩形孔的長(zhǎng)邊側(cè)的長(zhǎng)度大于等于成形缸的最大寬度。
[0011]作為優(yōu)選，至少兩對(duì)的光產(chǎn)生裝置和光強(qiáng)感應(yīng)裝置沿所述鋪粉平臺(tái)端部的寬度方向陣列排布，且排布總寬度不小于成形缸的最大寬度。
[0012]作為優(yōu)選，還包括位于成形室內(nèi)的掉落粉末放置箱，其設(shè)置在所述光產(chǎn)生裝置和光強(qiáng)感應(yīng)裝置的下方。
[0013]作為優(yōu)選，所述光產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光線為紅外線、紫外線或可見光，所述光強(qiáng)感應(yīng)裝置為光敏電阻或光敏二極管。
[0014]本發(fā)明還提供一種增材制造中粉末分配量的控制方法，包括以下步驟:
[0015]光產(chǎn)生裝置和光強(qiáng)感應(yīng)裝置檢測(cè)到粉末掉落，所述光強(qiáng)感應(yīng)裝置產(chǎn)生脈沖信號(hào)并傳遞給控制器；
[0016]所述控制器將所述脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成粉末余量值，并將所述粉末余量值與預(yù)設(shè)范圍比較；
[0017]在所述粉末余量值不在所述預(yù)設(shè)范圍時(shí)，改變粉末接收盒接收粉末的重量；
[0018]在所述粉末余量值在所述預(yù)設(shè)范圍時(shí)，保持粉末接收盒接收粉末的重量不變。
[0019]作為優(yōu)選，所述在所述粉末余量值不在所述預(yù)設(shè)范圍時(shí)，改變粉末接收盒接收粉末的重量包括:
[0020]所述粉末余量值小于預(yù)設(shè)范圍的下限值時(shí)，增大粉末接收盒接收粉末的重量；
[0021]所述粉末余量值大于預(yù)設(shè)范圍的上限值時(shí)，減小粉末接收盒接收粉末的重量。
[0022]本發(fā)明的有益效果:通過設(shè)置光產(chǎn)生裝置和光強(qiáng)感應(yīng)裝置，從鋪粉平臺(tái)的端部掉落的剩余粉末會(huì)進(jìn)行遮光，使得光強(qiáng)感應(yīng)裝置產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并最終由控制器轉(zhuǎn)換成粉末余量值，將其與預(yù)設(shè)范圍進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整分配的粉末總量，在多次調(diào)整后確定最佳的粉末分配量，既能保證鋪設(shè)的粉末層完整，又盡可能的減少粉末的消耗。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的粉末分配量的控制裝置(位于成形室內(nèi))的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的粉末分配量的控制裝置所在位置的俯視圖；
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的粉末分配量的控制裝置剩余粉末的檢測(cè)示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的粉末分配量的控制裝置(位于成形室內(nèi))的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的粉末分配量的控制裝置所在位置的俯視圖；
[0028]圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的粉末分配量的控制裝置剩余粉末的檢測(cè)示意圖；
[0029]圖7是本發(fā)明鋪粉裝置鋪粉時(shí)的粉末分布示意圖；
[0030]圖8是本發(fā)明實(shí)施例1以及實(shí)施例2的粉末分配量的控制方法的流程圖。
[0031]圖中:
[0032]1、成形室;2、粉箱;3、粉末接收盒;4、鋪粉平臺(tái)；5、成形缸;6、鋪粉裝置;7、光產(chǎn)生裝置;8、光強(qiáng)感應(yīng)裝置;9、掉落粉末放置箱；10、射線發(fā)生裝置；11、三維實(shí)體零件;41、掉落孔;51、成形筒;52、活塞。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖并通過【具體實(shí)施方式】來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0034]實(shí)施例1:
[0035]本發(fā)明提供一種增材制造中粉末分配量的控制裝置，安裝在增材制造裝置上，具體的，如圖1所示，上述增材制造裝置包括有成形室I，在成形室I內(nèi)設(shè)有粉箱2，在粉箱2的下方設(shè)有粉末接收盒3，其中粉箱2用于盛放粉末材料，其上設(shè)有輸送開關(guān)(圖中未示出)，該輸送開關(guān)連接于控制器(圖中未示出)，通過該輸送開關(guān)能夠定量地向粉末接收盒3內(nèi)輸送粉末材料;粉末接收盒3內(nèi)設(shè)有重量檢測(cè)裝置(圖中未示出)，用于檢測(cè)粉末接收盒3內(nèi)的粉末材料的重量，并在粉末接收盒3內(nèi)的粉末重量達(dá)到重量檢測(cè)裝置設(shè)定的檢測(cè)值時(shí)，向控制器發(fā)送信號(hào)，由控制器關(guān)閉粉箱2的輸送開關(guān)，具體的本實(shí)施例中設(shè)置為稱重傳感器，優(yōu)選的，還可以設(shè)置一個(gè)稱重平臺(tái)，以便于粉末材料的稱重;上述稱重傳感器連接于控制器，該控制器可以是計(jì)算機(jī)，也可以是其他控制處理裝置，通過該控制器可以控制輸送開關(guān)的啟閉，以便控制粉箱2開始或停止向粉末接收盒3輸送粉末；同時(shí)控制器可以接收稱重傳感器在測(cè)得粉末接收盒3內(nèi)的粉末重量達(dá)到設(shè)定的檢測(cè)值時(shí)向控制器發(fā)送的信號(hào)。
[0036]在粉末接收盒3的下方設(shè)有鋪粉平臺(tái)4，粉末接收盒3內(nèi)的粉末材料置于上述鋪粉平臺(tái)4上;在成形室I內(nèi)設(shè)有與鋪粉平臺(tái)4平齊的成形缸5，在鋪粉平臺(tái)4的上方設(shè)有鋪粉裝置6，其可水平運(yùn)動(dòng)，且其水平運(yùn)動(dòng)行程涵蓋鋪粉平臺(tái)4及成形缸5的上方;通過鋪粉裝置6能夠?qū)伔燮脚_(tái)4上的粉末材料鋪設(shè)在成形缸5上并形成粉末層；
[0037]在成形缸5的上方設(shè)有射線發(fā)生裝置10，用于產(chǎn)生射線并進(jìn)入到成形室I中，上述射線發(fā)生裝置10發(fā)出的射線可以是電子束，其加速電壓為60kV，束流為0-50mA，功率最大達(dá)3kW。上述電子束使用時(shí)需處于真空狀態(tài)，因此本實(shí)施例的成形室I連接于真空設(shè)備，例如通過機(jī)械栗、分子栗或者擴(kuò)散栗連接相關(guān)閥體，對(duì)成形室I進(jìn)行抽真空；當(dāng)然射線也可以是激光束，此時(shí)需在成形室I內(nèi)設(shè)置惰性氣體作為保護(hù)氣體。上述粉末材料鈦合金粉末、不銹鋼粉末、鎳基合金粉末、鈦鋁基合金粉末等，粒徑分布在5-200微米。
[0038]成形缸5包括成形缸筒51以及位于成形缸筒51內(nèi)的活塞52，上述粉末層置于活塞52上并與成形缸筒51的上表面平齊，當(dāng)射線對(duì)該粉末層融合完成后，活塞52下降一個(gè)粉末層厚度的距離，一層新的粉末被鋪在活塞52上，射線繼續(xù)熔合新的粉末層。如此，通過連續(xù)熔合一個(gè)以上粉末層的方式，制造出三維實(shí)體零件11。三維實(shí)體零件11被未熔化的粉末材料包裹。在制造出三維實(shí)體零件11后，可將三維實(shí)體零件11取出。
[0039]如圖1-3所示，本實(shí)施例的粉末分配量的控制裝置設(shè)置在成形室I內(nèi)，該控制裝置包括至少兩對(duì)均連接于控制器的光產(chǎn)生裝置7以及光強(qiáng)感應(yīng)裝置8，且均設(shè)置在鋪粉平臺(tái)4至少一端的下方，上述光產(chǎn)生裝置7用于發(fā)射光線，具體其發(fā)射的光線可以是紅外線、紫外線或可見光，光強(qiáng)感應(yīng)裝置8其選用光敏電阻或光敏二極管，用于感應(yīng)接收光產(chǎn)生裝置7發(fā)出的光線，以測(cè)得光強(qiáng)度。
[0040]在理想情況下，一層粉末的分配量恰好等于鋪設(shè)在成形缸5上方的一層粉末的量。假設(shè)成形缸5內(nèi)部面積為S，一層的粉末厚度為t，粉末材料的松裝密度為D，則一層粉末的量Q為:Q = DSU在鋪粉裝置6鋪粉的過程中，粉末會(huì)從鋪粉裝置6與鋪粉平臺(tái)4之間的孔隙漏出，會(huì)流動(dòng)擴(kuò)展至成形缸5之外。因此，Q值只是一層粉末分配量的最低值，實(shí)際值應(yīng)當(dāng)大于Q值，以保證鋪粉后的粉末層完整性。
[0041]鋪粉裝置6在向成形缸5內(nèi)鋪粉完成后，會(huì)繼續(xù)推動(dòng)剩余粉末從鋪粉平臺(tái)4的端部掉落，且其掉落軌跡位于光產(chǎn)生裝置7和光強(qiáng)感應(yīng)裝置8之間，即剩余粉末會(huì)從光產(chǎn)生裝置7和光強(qiáng)感應(yīng)裝置8之間掉落，當(dāng)沒有粉末經(jīng)過時(shí)，光強(qiáng)感應(yīng)裝置8測(cè)得的光強(qiáng)度是恒定的，當(dāng)有粉末經(jīng)過時(shí)，光線會(huì)被部分或全部遮擋，光強(qiáng)感應(yīng)裝置8測(cè)得光強(qiáng)度有所變化，會(huì)形成一個(gè)脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)發(fā)送給上述控制器，由控制器進(jìn)行處理。由于上述光強(qiáng)感應(yīng)裝置8設(shè)置為多個(gè)，因此會(huì)向控制器發(fā)送多個(gè)脈沖信號(hào)，此時(shí)控制器會(huì)取上述多個(gè)脈沖信號(hào)的平均值或者最值作為粉末余量的判斷依據(jù)，即控制器會(huì)根據(jù)上述平均值或者最值計(jì)算出粉末余量的大小，當(dāng)粉末余量過少或?yàn)榱?，說明粉末材料很有可能不夠、不足以完全覆蓋成形缸5上方的空間。
[0042]本實(shí)施例中，鋪粉平臺(tái)4具有一定寬度，鋪粉裝置6在鋪粉時(shí)，粉末材料在向鋪粉方向運(yùn)動(dòng)